ΘΡΑΥΣΗ ΚΑΙ ΜΗΦΑΝΙΣΜΟΙ ΡΗΓΜΑΤΨΣΕΨΝ

Transcript

1 ΘΡΑΥΣΗ ΚΑΙ ΜΗΦΑΝΙΣΜΟΙ ΡΗΓΜΑΤΨΣΕΨΝ 1. ΘΡΑΥΣΗ αν κραφςθ ορίηεται ο ολικόσ διαχωριςμόσ του υλικοφ ςε μακροςκοπικό επίπεδο, που οδθγεί ςε απϊλεια του φερόμενου φορτίου ενόσ ςτερεοφ ςϊματοσ. Σο φυςικό αίτιο μιασ κραφςθσ είναι θ καταςτροφι των ατομικϊν και μοριακϊν δεςμϊν εξαιτίασ εξωτερικϊν και/ι εςωτερικϊν μθχανικϊν φορτίων, μερικϊσ με ςυν-δράςθ και άλλων παραγόντων. Σο αποτζλεςμα είναι μια ελεφκερθ επιφάνεια. Μία κραφςθ ςυμβαίνει ςε δφο ςτάδια, τον αρχικό ςχθματιςμό μίασ ρωγμισ και ςτθν ςυνζχεια τθν διάδοςθ τθσ μζχρι τθν τελικι αςτοχία. Ανάλογα με το είδοσ του υλικοφ, το εφαρμοηόμενο φορτίο, τθν κατάςταςθ των τάςεων και τθν κερμοκραςία, τα μζταλλα μποροφν να ζχουν διαφορετικζσ μορφζσ κραφςεων όπωσ: Όλκιμθ κραφςθ Ψακυρι κραφςθ Θραφςθ λόγω κόπωςθσ Θραφςθ ερπυςμοφ τθν ςυνζχεια κα αναλυκοφν τα μακροςκοπικά κα μικροςκοπικά χαρακτθριςτικά των παρακάτω μορφϊν κραφςθσ κακϊσ και οι μθχανιςμοί ςχθματιςμοφ των ρωγμϊν που οδθγοφν ςε αυτζσ τισ κραφςεισ. 1.1 Όλκιμη και Χαθσρή θραύση Οι όροι όλκιμο και ψακυρό ςυχνά χρθςιμοποιοφνται για να περιγράψουν τθν ποςότθτα τθσ μακροςκοπικισ παραμόρφωςθσ που ςυμβαίνει πριν τθν κραφςθ. ε καταςκευαςτικζσ εφαρμογζσ θ ψακυρι κραφςθ είναι ανεπικφμθτθ γιατί μπορεί να ςυμβεί πολφ κοντά ςτθν τάςθ τθσ ελαςτικισ παραμόρφωςθσ, με πολφ μεγάλθ ταχφτθτα και με απορρόφθςθ πολφ μικρισ ποςότθτασ ενζργειασ. Λόγω αυτϊν των χαρακτθριςτικϊν οι αςτοχίεσ με ψακυρι κραφςθ ζχουν ςυνικωσ καταςτροφικά αποτελζςματα κακϊσ ςυμβαίνουν χωρίσ τθν προειδοποίθςθ που υπάρχει λόγω παραμόρφωςθσ μίασ καταςκευισ ενϊ από τθ ςτιγμι που κα ξεκινιςουν ακόμα και θ απομάκρυνςθ του φορτίου δεν αρκεί για να ςταματιςει θ διάδοςθ τθσ ρωγμισ. Πρζπει ωςτόςο να τονιςτεί ότι οι όροι όλκιμθ και ψακυρι κραφςθ χρθςιμοποιοφνται για να περιγράψουν τον μθχανιςμό μίασ κραφςθσ ςε μικροςκοπικό επίπεδο. ε μικροςκοπικό επίπεδο θ όλκιμθ κραφςθ ςυμβαίνει με τον ςχθματιςμό και τθν ςυνζνωςθ διάκενων (microvoid coalescence) δίνοντασ τα μακροςκοπικά χαρακτθριςτικά τθσ πλαςτικισ παραμόρφωςθσ και τθσ απορρόφθςθσ μεγάλου ποςοφ ενζργειασ. Αντίκετα ςε μικροςκοπικό επίπεδο θ ψακυρι κραφςθ χαρακτθρίηεται από τον διαχωριςμό του υλικοφ ςε κρυςταλλικά επίπεδα (cleavage fracture) δίνοντασ τα μακροςκοπικά χαρακτθριςτικά τθσ πολφ γριγορθσ διάδοςθσ τθσ ρωγμισ χωρίσ πλαςτικι παραμόρφωςθ και με τθν απορρόφθςθ πολφ μικρισ ποςότθτασ ενζργειασ. 1/29

2 Σα παραπάνω φαίνονται καλφτερα ςτα ςχιματα 1-5. Σχήμα 1.Μθχανιςμόσ όλκιμθσ κραφςθσ. (α) ςχθματιςμόσ λαιμοφ (necking), (b) ςχθματιςμόσ διάκενων ςε μικροςκοπικό επίπεδο (microvoid formation), (c) ςυνζνωςθ των διάκενων και ςχθματιςμόσ ρωγμισ (microvoid coalescence),(d)τελικό ςτάδιο διάδοςθσ τθσ ρωγμισ με διατμθτικι παραμόρφωςθ (shear lip formation)(e) τελικι κραφςθ. Σχήμα 2.Μακροςκοπικι εμφάνιςθ όλκιμθσ κραφςθσ (πάνω μζροσ). Μικροςκοπικι εμφάνιςθ μίασ όλκιμθσ επιφάνειασ κραφςθσ. (a) κυκλικά διάκενα (dimples) που ζχουν δθμιουργθκεί από εφελκυςτικζσ τάςεισ, (b) ελλειπτικά διάκενα (dimples) που ζχουν δθμιουργθκεί από διατμθτικζσ τάςεισ. 2/29

3 Σχήμα 3.Μακροςκοπικι εμφάνιςθ ψακυρισ κραφςθσ. Η κραφςθ πραγματοποιείται χωρίσ πλαςτικι παραμόρφωςθ. Η διάδοςθ τθσ ρωγμισ είναι πολφ γριγορθ, και γίνεται κάκετα ςτθ διεφκυνςθ των εφαρμοηόμενων τάςεων. Σχήμα4.Μικροςκοπικι εμφάνιςθ ψακυρισ κραφςθσ. Η αριςτερι εικόνα δείχνει τθν τυπικι μικροςκοπικι εμφάνιςθ τθσ διακρυςταλλικισ ψακυρισ κραφςθσ με διαχωριςμό του υλικοφ κατά μικοσ ςυγκεκριμζνων κρυςταλλογραφικϊν επιπζδων (cleavage fracture). Hδεξιά εικόνα δείχνει τθν τυπικι μικροςκοπικι εμφάνιςθ τθσ περικρυςταλλικισ ψακυρισ κραφςθσ που ςυμβαίνει κατά μικοσ των ορίων των κόκκκων. 3/29

4 Σχήμα 5.υγκριτικό διάγραμμα τάςθσ - παραμόρφωςθσ (stress - strain) για ζνα ψακυρό και ζνα όλκιμο υλικό. Εκτόσ από το είδοσ του υλικοφ, θ πικανότθτα ενόσ εξαρτιματοσ να αςτοχιςει με ψακυρό τρόπο μπορεί να αυξθκεί και από άλλουσ παράγοντεσ όπωσ θ φπαρξθ ςθμείων ςυγκζντρωςθσ τάςεων (stress concentration), ο ρυκμόσ επιβολισ του φορτίου (strain rate), θ μείωςθ τθσ κερμοκραςίασ και το ςφςτθμα τάςεων (plane stress plane strain) που κακορίηεται από τα γεωμετρικά χαρακτθριςτικά του κάκε εξαρτιματοσ. Η ψακυρι ςυμπεριφορά ενόσ υλικοφ εξθγείται από τθν κεωρία του Griffithςφμφωνα με τθν οποία θ κρίςιμθ τάςθ φόρτιςθσ πάνω από τθν οποία κα ςυμβεί γριγορθ διάδοςθ μίασ ρωγμισ είναι: όπου: α = το μιςό του μικουσ ενόσ υπάρχοντοσ εςωτερικοφ ελαττϊματοσ (ςχιμα 6) γ = θ ειδικι επιφανειακι ενζργεια του υλικοφ Ε = το Young modulus. Όςο μεγαλφτερο είναι το μζγεκοσ κάποιου υπάρχοντοσ ελαττϊματοσ τόςο μικρότερθ είναι θ τάςθ που απαιτείται προκειμζνου να αρχίςει θ γριγορθ διάδοςθ τθσ ρωγμισ.για υλικά που ςυμπεριφζρονται με όλκιμο τρόπο υπάρχει πάντα πλαςτικι παραμόρφωςθ πριν τθν διάδοςθ μιασ ρωγμισ οπότε ο όροσ γ s πρζπει να αντικαταςτακεί από γ s + γ p όπου γ p είναι θ ενζργεια τθσ πλαςτικισ παραμόρφωςθσ. 4/29

5 Σχήμα 6. χθματικι αναπαράςταςθ του φαινομζνου τθσ ςυγκζντρωςθσ τάςθσ που προκαλεί θ φπαρξθ ελαττϊματοσ ςε ζνα υλικό. Όςο μειϊνεται θ κερμοκραςία ενόσ υλικοφ, θ ςυμπεριφορά του μπορεί να αλλάξει από όλκιμθ ςε ψακυρι. Η μελζτθ τθσ ςυμπεριφοράσ κραφςθσ ενόσ υλικοφ κάτω από υψθλοφσ ρυκμοφσ φόρτιςθσ και ςε διάφορεσ κερμοκραςίεσ γίνεται με τθ χριςθ τυποποιθμζνων δοκιμϊν κροφςθσ (V-Charpy, Izod) όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 7. Σχήμα 7.χθματικιαναπαράςταςθ δοκιμϊν κροφςθσ charpyκαι Izod. 5/29

6 Πραγματοποιϊντασ δοκιμζσ κροφςθσ ςε διάφορεσ κερμοκραςίεσ παίρνουμε τισ χαρακτθριςτικζσ καμπφλεσ που μασ δείχνουν τθν κερμοκραςία που ςυμβαίνει θ μετάβαςθ από τθν όλκιμθ ςτθ ψακυρι κραφςθ ενόσ υλικοφ. ε γενικζσ γραμμζσ το φαινόμενο αυτό είναι πολφ πιο ζντονο ςτα μζταλλα που κρυςταλλϊνονται ςτο χωροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα ενϊ αντίκετα τα μζταλλα που κρυςταλλϊνονται ςτο εδροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα παραμζνουν όλκιμα ακόμα και ςε πολφ χαμθλζσ κερμοκραςίεσ. Σα παραπάνω φαίνονται ςτο ςχιμα 8. Σχήμα 8.χθματικι αναπαράςταςθ διαγραμμάτων ενζργειασ κροφςθσ - κερμοκραςίασ για διάφορα μεταλλικά υλικά (πάνω μζροσ). Παράδειγμα όλκιμθσ και ψακυρισ κραφςθσ δοκιμίων κροφςθσ φερριτικοφ χάλυβα ςε διάφορεσ κερμοκραςίεσ (κάτω μζροσ). 6/29

7 Σζλοσ θ όλκιμθ ι ψακυρι ςυμπεριφορά ενόσ υλικοφ μπορεί να επθρεαςτεί και από τα γεωμετρικά του χαρακτθριςτικά μζςω του ςυςτιματοσ τάςεων (plane stress plane strain) όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 9 παρακάτω: Σχήμα9.Δυςκραυςτότθτα ενόσ υλικοφ ςε ςχζςθ με το πάχοσ του. Πειραματικά ζχει βρεκεί ότι θ μετάβαςθ του υλικοφ από τθν όλκιμθ ςυμπεριφορά (plane stress) ςτθν ψακυρι (plane strain) γίνεται ςε πάχοσ υλικοφ Β το οποίο δίνεται από τθν ςχζςθ: Σο μζγεκοσ Κ Ic ονομάηεται δυςκραυςτότθτα (fracture toughness) και μπορεί να υπολογιςτεί πειραματικά για κάποιο υλικό. Παράλλθλα ςφμφωνα με τθν κεωρία του Griffithδίνεται από τθ ςχζςθ: ε περιπτϊςεισ λοιπόν που κάποιο εξάρτθμα βρίςκεται ςε ςφςτθμα τάςεων plane strain και ζχοντασ υπολογίςει πειραματικά το μζγεκοσ Κ Ic,εάν γνωρίηουμε τθν τάςθ (ς) και το μζγεκοσ του ελαττϊματοσ (α) που υπάρχει ςε ζνα εξάρτθμα μποροφμε να υπολογίςουμε τθν ςυνκικθ λειτουργίασ για τθν οποία κα γίνει γριγορθ διάδοςθ τθσ ρωγμισ ωσ Κ Κ Ic. 7/29

8 1.2 Θραύση Κόπωσης ΘΡΑΤΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΜΟΙ ΡΗΓΜΑΣΩΕΩΝ Οι αςτοχίεσ με μθχανιςμό κόπωςθσ κατά τθν επιβολι εναλλαςςόμενων ι κυκλικϊν φορτίων μποροφν να ςυμβοφν ςε φορτίςεισ ςθμαντικά χαμθλότερεσ από το όριο διαρροισ ι το όριο εφελκυςμοφ ενόσ υλικοφ ςε ςτατικι φόρτιςθ. Τπολογίηεται ότι το 85% των αςτοχίων μεταλλικϊν καταςκευϊν και εξοπλιςμοφ ςυμβαίνουν με μθχανιςμό κόπωςθσ. Οι αςτοχίεσ με κόπωςθ ζχουν κοινά χαρακτθριςτικά με τθν ψακυρι κραφςθ, με δεδομζνο ότι ςυμβαίνουν χωρίσ κακόλου παραμόρφωςθ και είναι ξαφνικζσ και καταςτροφικζσ ακόμα και ςε όλκιμα υλικά. Οι τάςεισ φόρτιςθσ που δθμιουργοφν τθν κόπωςθ μπορεί να είναι αξονικζσ (εφελκυςτικζσ ι ςυμπιεςτικζσ), καμπτικζσ ι ςτρεπτικζσ. Οι κραφςεισ λόγω κόπωςθσ διαχωρίηονται ςε τρία ξεχωριςτά ςτάδια: τθν ζναρξθ τθσ ρωγμισ (crack initiation) θ οποία ςυμβαίνει ςτισ περιοχζσ ςυγκζντρωςθσ τάςεων, τθν προοδευτικι διάδοςθ τθσ ρωγμισ, και τθν τελικι καταςτροφικι αςτοχία. Σα ςθμεία ζναρξθσ των ρωγμϊν κόπωςθσ αναγνωρίηονται μακροςκοπικά από τθν φπαρξθ ratchet marks και βρίςκονται ςτο κζντρο τθσ διάδοςθσ των ρωγμϊν κόπωςθσ όπωσ αυτζσ φαίνονται από τα χαρακτθριςτικά beach marks. Η περιοχι τθσ τελικισ κραφςθσ ζχει πολλζσ φορζσ όλκιμα χαρακτθριςτικά και είναι το αποτζλεςμα υπερφόρτιςθσ όταν πλζον θ εναπομζνουςα διατομι του υλικοφ δεν μπορεί να αντζξει τισ αςκοφμενεσ φορτίςεισ. Σα παραπάνω χαρακτθριςτικά φαίνονται ςτα ςχιματα Σχήμα 10. Συπικι εμφάνιςθ επιφάνειασ κραφςθσ από κόπωςθ. 8/29

9 Σχήμα 11. Συπικι εμφάνιςθ επιφάνειασ κραφςθσ από κόπωςθ. Σχήμα 12. Συπικι εμφάνιςθ επιφάνειασ κραφςθσ από κόπωςθ. 9/29

10 ε μικροςκοπικό επίπεδο, θ επιφάνεια μίασ κραφςθσ από κόπωςθ χαρακτθρίηεται από τθν φπαρξθ striationsόπωσ φαίνεται παρακάτω ςτο ςχιμα13. Σα striationsείναι μικροςκοπικζσ εγκοπζσ θ κακεμία από τισ οποίεσ αντιςτοιχεί ςε ζναν κφκλο φόρτιςθσ. Μετρϊντασ τθν απόςταςθ μεταξφ τουσ ςε πολλά ςθμεία είναι δυνατόν να καταλιξουμε ςτον αρικμό των κφκλων που απαιτικθκαν για τθν κραφςθ και άρα και ςτο χρονικό διάςτθμα που χρειάςτθκε για τθν διάδοςθ τθσ ρωγμισ πριν τθν τελικι αςτοχία. ε μζταλλα με πολλαπλά ενεργά επίπεδα ολίςκθςθσ όπωσ το αλουμίνιο και οι ωςτενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβεσ, τα striationsδιακρίνονται πολφ χαρακτθριςτικά όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 13 ενϊ ςε φερριτικοφσ χάλυβεσ ςυνικωσ θ μικροςκοπικι εμφάνιςθ μίασ επιφάνειασ κόπωςθσ δεν παρουςιάηει καλοςχθματιςμζνα striationsόπωσ επίςθσ φαίνεται ςτο ςχιμα 13. Σχήμα 13. Καλοςχθματιςμζνα striationsςτθν επιφάνεια κόπωςθσ ενόσ ανοξείδωτου ωςτενιτικοφ χάλυβα (πάνω φωτογραφία).εμφάνιςθ επιφάνειασ κραφςθσ από κόπωςθ ςε ανκρακοφχο χάλυβα που ζχει υποςτεί βαφι και επαναφορά. Σα striationsδεν είναι καλά ςχθματιςμζνα και εμφανι (κάτω φωτογραφία). 10/29

11 Σα εναλλαςςόμενα ι κυκλικά φορτία τα οποία είναι υπεφκυνα για τθν δθμιουργία των ρωγμϊν κόπωςθσ μπορεί να ζχουν διάφορα χαρακτθριςτικά όπωσ π.χ. το να είναι περιοδικά και ςυμμετρικά κατά τθν εναλλαγι τουσ μεταξφ εφελκυςτικϊν και ςυμπιεςτικϊν τάςεων, να είναι περιοδικά αλλά μθ ςυμμετρικά όςον αφορά τθν εναλλαγι τουσ μεταξφ εφελκυςτικϊν και ςυμπιεςτικϊν τάςεων ι τζλοσ μπορεί να ζχουν μία εντελϊσ τυχαία κατανομι ςε ςχζςθ με τον χρόνο. Σα χαρακτθριςτικά τθσ φόρτιςθσ τα οποία παίηουν ρόλο ςτθν εμφάνιςθ του φαινομζνου τθσ κόπωςθσ είναι θ μζςθ τάςθ (mean stress), το φάςμα των τάςεων (stress range), το εφροσ των τάςεων (stress amplitude) και ο λόγοσ ςχζςθσ των τάςεων (stress ratio). Ο υπολογιςμόσ αυτϊν των μεγεκϊν φαίνεται ςτο ςχιμα 14. Σχήμα 14. Τπολογιςμόσ των μεγεκϊν τθσ φόρτιςθσ που παίηουν ρόλο ςτθν εμφάνιςθ του φαινομζνου τθσ κόπωςθσ. 11/29

12 Οι ιδιότθτεσ ενόσ υλικοφ ςτθν κόπωςθ μποροφν να κακοριςτοφν πειραματικά με τθν χριςθ ειδικϊν μθχανϊν και τα αποτελζςματα παρουςιάηονται ςε διαγράμματα S-Nόπου Sείναι το εφροσ (stress amplitude) των επιβαλλόμενων τάςεων και Ν ο αρικμόσ των κφκλων φόρτιςθσ. Η εμφάνιςθ του φαινομζνου τθσ κόπωςθσ μπορεί κάτω από υψθλζσ φορτίςεισ να εμφανιςτεί ςε ςχετικά λίγουσ κφκλουσ (low cycle fatigue) και να ςυνοδεφεται από πλαςτικι και ελαςτικι παραμόρφωςθ του δοκιμίου, ενϊ ςε χαμθλότερεσ φορτίςεισ εμφανίηεται μετά από μεγάλο αρικμό κφκλων (>10 5 ) και ςυνοδεφεται μόνο από ελαςτικι παραμόρφωςθ. ε πολλά μεταλλικά κράματα ςτο διάγραμμα S-N υπάρχει μία τιμι εφρουσ των τάςεων κάτω από τθν οποία το υλικό δεν πρόκειται ποτζ να παρουςιάςει κόπωςθ (ςχιμα 15). ε αυτι τθν περίπτωςθ θ καμπφλθ S-N γίνεται οριηόντια για μεγάλεσ τιμζσ κφκλων φόρτιςθσ και θ τιμι του εφρουσ των τάςεων ονομάηεται όριο κόπωςθ (fatigue limit) ι όριο αντοχισ (endurance limit). Σχήμα 15. Μορφι διαγράμματοσ S-Nγια μεταλλικό υλικό που παρουςιάηει όριο κόπωςθσ ςε τιμι του εφρουσ των τάςεων φόρτιςθσ (stress amplitude). Η κατάςταςθ που περιγράφεται ςτο ςχιμα 15 είναι επικυμθτι κατά τον ςχεδιαςμό καταςκευϊν ϊςτε αυτζσ να μθν εμφανίςουν ποτζ κόπωςθ. ε γενικζσ γραμμζσ, ο ςχεδιαςμόσ μίασ καταςκευισ ϊςτε αυτι να αντζχει 10 8 κφκλουσ φόρτιςθσ, κεωρείται ςαν ςχεδιαςμόσ χωρίσ κόπωςθ για όλθ τθν διάρκεια ηωισ τθσ καταςκευισ (fatigue free design). τα περιςςότερα κράματα, το S μειϊνεται ςυνεχόμενα όςο αυξάνονται οι κφκλοι (Ν). ε αυτζσ τισ περιπτϊςεισ οι ιδιότθτεσ κόπωςθσ περιγράφονται από τα παρακάτω μεγζκθ (ςχιμα 16): 12/29

13 αντοχι ςε κόπωςθ (fatigue strength) ι οποία ορίηεται ωσ τθν φόρτιςθ κατά τθν οποία ςυμβαίνει θ κραφςθ μετά από ζνα ςυγκεκριμζνο αρικμό κφκλων. Διάρκεια ηωισ ςε κόπωςθ (fatigue life) θ οποία ορίηεται ωσ ο αρικμόσ των κφκλων φόρτιςθσ μζχρι να ςυμβεί θ κραφςθ ςε ζνα ςυγκεκριμζνο επίπεδο φόρτιςθσ. Σχήμα 16. Διάρκεια ηωισ και αντοχι ςε κόπωςθ. Όπωσ ζχει ιδθ αναφερκεί, μία κραφςθ λόγω κόπωςθσ ζχει τρία ςτάδια: Σθν αρχικι δθμιουργία τθσ ρωγμισ ςε περιοχζσ ςυγκζντρωςθσ τάςεων Σθν προοδευτικι διάδοςθ τθσ ρωγμισ Σθν τελικι γριγορθ κραφςθ Ο τελικόσ αρικμόσ των κφκλων φόρτιςθσ μζχρι τθν αςτοχία είναι το άκροιςμα των κφκλων για το πρϊτο και το δεφτερο ςτάδιο. Ν f = N i + N p όπου N f : Ο ςυνολικόσ αρικμόσ κφκλων μζχρι τθν αςτοχία Ν i : Ο αρικμόσ των κφκλων μζχρι ζναρξθ τθσ ρωγμισ N p : Ο αρικμόσ των κφκλων για τθν διάδοςθ τθσ ρωγμισ ε μία κόπωςθ πολλϊν κφκλων (χαμθλι φόρτιςθ)το Ν i είναι ςχετικά υψθλό. Όςο θ φόρτιςθ μεγαλϊνει το Ν i μειϊνεται και το N p κυριαρχεί. 13/29

14 Γεληθά νη ξσγκέο θόπσζεο δεκηνπξγνύληαη θαη δηαδίδνληαη ζε πεξηνρέο όπνπ ε θόξηηζε είλαη ζεκαληηθή. Λόγσ ηνπ γεγνλόηνο όηη ηα πεξηζζόηεξα πιηθά πεξηέρνπλ αηέιεηεο θαη επνκέλσο πεξηνρέο ζπγθέληξσζεο ηάζεσλ, νη πεξηζζόηεξεο ξσγκέο θόπσζεο δεκηνπξγνύληαη θαη δηαδίδνληαη ζε δνκηθά ειαηηώκαηα ηνπ πιηθνύ. Τνπηθέο επηθαλεηαθέο αηέιεηεο όπσο εγθνπέο θαη δηάθνξα θαηαζθεπαζηηθά ειαηηώκαηα είλαη ηα πην ζπλεζηζκέλα ζεκεία έλαξμεο ησλ ξσγκώλ θόπσζεο. Αηέιεηεο ηνπ πιηθνύ όπσο κε κεηαιιηθά εγθιείζκαηα θαη ζθιεξέο θάζεηο είλαη παξαδείγκαηα κηθξνζθνπηθώλ ζεκείσλ ζπγθέληξσζεο ηάζεσλ ζηελ δνκή ηνπ πιηθνύ. Κάησ από ηελ επηξξνή ησλ θπθιηθώλ θνξηίσλ κία δώλε πιαζηηθήο παξακόξθσζεο δεκηνπξγείηαη ζην άθξν ηνπ ειαηηώκαηνο. Απηή ε δώλε πςειήο παξακόξθσζεο γίλεηαη ην ζεκείν έλαξμεο ηεο ξσγκήο θόπσζεο. Τν ζηάδην έλαξμεο ησλ ξσγκώλ θόπσζεο θαη ε δηάδνζε θαη ζπλέλσζε ηνπο ζε βάζνο κεξηθώλ θόθθσλ γίλεηαη ζε γσλία 45 ν κε έλα κεραληζκό νιίζζεζεο θξπζηαιιηθώλ επηπέδσλ θαη νλνκάδεηαη ζηάδην I (stage I). Σην ζηάδην ΙΙ ε δηεύζπλζε δηάδνζεο ηεο ξσγκήο αιιάδεη θαη γίλεηαη θάζεηε ζην επηβαιιόκελν θνξηίν. Σε απηό ην ζηάδην ε ξσγκή δηαδίδεηαη κε ηελ επηξξνή ηνπ επηβαιιόκελνπ θνξηίνπ ζηελ άθξε ηεο ξσγκήο δεκηνπξγώληαο ηελ εκθάληζε ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ beach marks. Σχήμα 17. τάδια διάδοςθσ μίασ ρωγμισ κόπωςθσ. 14/29

15 Με δεδομζνο ότι το επίπεδο των τάςεων ςε ζνα υλικό είναι ςτακερό κατά τθν διάρκεια τθσ λειτουργίασ, ο αποτελεςματικότεροσ τρόποσ για τθν βελτίωςθ τθσ αντοχισ ενόσ εξαρτιματοσ ςτθν κόπωςθ είναι θ εξάλειψθ των ςθμείων ςυγκζντρωςθσ τάςεων είτε αυτά είναι αποτζλεςμα κάποιασ καταςκευαςτικισ ατζλειασ του υλικοφ, είτε το αποτζλεςμα γεωμετρικϊν χαρακτθριςτικϊν του εξαρτιματοσ. Η ειςαγωγι κλιπτικϊν τάςεων ςτθν επιφάνεια του υλικοφ ι θ εφαρμογι επιφανειακισ ςκλιρυνςθσ (casehardening) βοθκοφν επίςθσ ςτθν αφξθςθ τθσ αντοχισ ενόσ εξαρτιματοσ ςτθν κόπωςθ. Ρωγμζσ κόπωςθσ μπορεί να δθμιουργθκοφν και λόγω περιβαλλοντικϊν παραγόντων όπωσ π.χ. θ φπαρξθ κερμικϊν τάςεων ι ζνα διαβρωτικό περιβάλλον που επιπλζον δθμιουργεί και εγκοπζσ διάβρωςθσ που δρουν ςαν ςθμεία ςυγκζντρωςθσ τάςεων. 1.3 Θραύση Ερπσσμού Με τον όρο ερπυςμό εννοοφμε τθν εξαρτϊμενθ από τον χρόνο και μόνιμθ παραμόρφωςθ ενόσ υλικοφ υπό τθν επιρεια μίασ ςτακερισ τάςθσ ςε υψθλι κερμοκραςία (>0.4 Σ m ). Σχήμα 18. τάδια τθσ κραφςθσ από ερπυςμό. Μία αζηνρία από εξππζκό γίλεηαη ζηα ζηάδηα πνπ θαίλνληαη ζην παξαπάλσ δηάγξακκα (ζρήκα 18). Άκεζε αξρηθή παξακόξθσζε (θπξίσο ειαζηηθή) 15/29

16 Πξσηνγελήο εξππζκόο. Η θιίζε ηεο θακπύιεο παξακόξθσζεο ρξόλνπ κεηώλεηαη κε ηνλ ρξόλν. Παξαηεξείηαη ελδνηξάρπλζε ηνπ πιηθνύ. Δεπηεξνγελήο εξππζκόο. Ο ξπζκόο ηεο παξακόξθσζεο είλαη ζηαζεξόο. Υπάξρεη ηζνξξνπία κεηαμύ ελδνηξάρπλζεο θαη αλαζρεκαηηζκνύ (recovery) ηνπ πιηθνύ. Τξηηνγελήο εξππζκόο. Ο ξπζκόο παξακόξθσζεο απμάλεηαη πνιύ γξήγνξα κέρξη ηελ ηειηθή ζξαύζε ηνπ πιηθνύ. Σε απηό ην ζηάδην παξαηεξείηαη ζρεκαηηζκόο εζσηεξηθώλ ξσγκώλ, δηαθέλσλ, δηαρσξηζκόο ζηα όξηα ησλ θόθθσλ, θαη καθξνζθνπηθή πιαζηηθή παξακόξθσζε. Τν ζηάδην ηνπ δεπηεξνγελνύο εξππζκνύ είλαη απηό κε ηελ κεγαιύηεξε δηάξθεηα θαη ν ζηαζεξόο ξπζκόο παξακόξθσζεο Δε/Δt πνπ ζπκβαίλεη ζε απηό ην ζηάδην είλαη ε πην ζεκαληηθή παξάκεηξνο ηεο ζπκπεξηθνξάο ηνπ εξππζκνύ ζε εθαξκνγέο κε κεγάιε ρξνληθή δηάξθεηα. Άιιε κία ζεκαληηθή παξάκεηξνο είλαη ν ρξόλνο ηεο ηειηθήο ζξαύζεο ή ε δηάξθεηα δσήο tr. Όζν απμάλεηαη ε ζεξκνθξαζία θαη ε ηάζε ιεηηνπξγίαο ηόζν απμάλεηαη θαη ε παξακόξθσζε πνπ παξαηεξείηαη ζηα δηάθνξα ζηάδηα ηνπ εξππζκνύ θαη ηόζν κεηώλεηαη ν ρξόλνο δσήο σο ηελ ηειηθή ζξαύζε. Η ζρέζε ηνπ ζηαζεξνύ ξπζκνύ παξακόξθσζεο θαηά ην ζηάδην ηνπ δεπηεξνγελνύο εξππζκνύ κε ηελ ηάζε θαη ηελ ζεξκνθξαζία δίλεηαη από ηελ ζρέζε: Όπνπ Qc είλαη ε ελέξγεηα ελεξγνπνίεζεο ηνπ θαηλνκέλνπ ηνπ εξππζκνύ θαη ηα K 2 θαη n είλαη ζηαζεξέο ηνπ πιηθνύ. Σχήμα 19. Μεταβολι του ρυκμοφ παραμόρφωςθσ ςτο ςτάδιο του δευτερογενοφσ ερπυςμοφ με τθν τάςθ και τθν κερμοκραςία. 16/29

17 Διαφορετικοίμθχανιςμοίείναιυπεφκυνοιγιατονμθχανιςμότουερπυςμοφςεδιαφορετικάυλικ άκαικάτωαπό διαφορετικζσ ςυνκικεσ φόρτιςθσ και κερμοκραςίασ. Σζτοιοι μθχανιςμοί μπορεί να περιλαμβάνουν: Κινιςεισ διαταραχϊν Διάχυςθ διάκενων Ολίςκθςθ των ορίων των κόκκων Διάχυςθ των ορίων των κόκκων Διαφορετικοί μθχανιςμοί καταλιγουν ςε διαφορετικζσ τιμζσ των n, Qc Σα χαρακτθριςτικά των κραμάτων που χρθςιμοποιοφνται για λειτουργία ςε ςυνκικεσ ερπυςμοφ αναφζρονται ςτο αντίςτοιχο κεφάλαιο. 17/29